AI 제조·휴머노이드 로봇, 정밀한 움직임 위한 통신 기술 중요해진다

인공지능(AI)이 제조 현장과 로봇 기술에 적용되면서 기계들이 얼마나 빠르고 정확하게 정보를 주고받을 수 있는지가 중요한 기술 과제로 떠오르고 있다. 여러 개의 모터와 센서가 동시에 작동하는 산업용 로봇이나 휴머노이드 로봇에서는 통신 속도뿐 아니라 각 장치가 정해진 시점에 정확하게 움직이도록 제어하는 기술이 필요하기 때문이다.

대만 반도체 설계기업 패러데이 테크놀로지(Faraday Technology Corporation)는 산업 자동화와 로봇 제어에 활용할 수 있는 새로운 이더넷 PHY 반도체 설계자산(IP)을 발표했다고 3일 밝혔다.

이번에 공개한 기술은 반도체 위탁생산기업 UMC의 제조 공정을 기반으로 개발됐으며, 산업용 실시간 통신 프로토콜인 이더캣(EtherCAT)을 지원하는 10/100Mbps 이더넷 PHY IP다.

PHY(Physical Layer)는 디지털 데이터를 실제 전기 신호로 변환하거나 수신된 신호를 다시 데이터로 복원하는 물리계층 기술이다. 반도체 설계자산인 PHY IP는 이러한 기능을 반도체 칩에 구현할 수 있도록 제공되는 설계 기술을 의미한다.

로봇이 정확하게 움직이려면 통신도 동시에 이뤄져야

산업용 로봇은 여러 개의 모터와 센서, 제어장치가 서로 연결돼 작동한다. 예를 들어 로봇팔이 물체를 집어 옮길 때는 각 관절의 움직임이 정해진 순서와 시간에 맞춰 이뤄져야 한다.

휴머노이드 로봇은 이러한 요구가 더욱 복잡하다. 두 다리로 균형을 유지하면서 걷거나 양팔을 동시에 움직이려면 여러 관절의 위치와 속도를 지속적으로 확인하고 제어해야 한다.

이 과정에서 장치 간 통신이 지연되거나 동기화에 오차가 발생하면 동작의 정확성과 안정성에 영향을 줄 수 있다.

이더캣은 이러한 산업 환경을 위해 개발된 실시간 이더넷 통신 기술이다. 여러 장치가 정해진 시간에 데이터를 주고받을 수 있도록 지원하며, 산업용 로봇과 자동화 설비의 모션 제어 등에 활용된다.

패러데이가 발표한 이더넷 PHY IP 역시 이더캣 기반 시스템에서 통신과 동기화를 지원하도록 설계됐다.

회사 측에 따르면 해당 기술은 100마이크로초(μs) 미만의 이더캣 전송 시간과 분산 클록(Distributed Clocks)을 활용한 0.1마이크로초 미만의 동기화 정확도를 지원한다.

1마이크로초는 100만 분의 1초다. 0.1마이크로초는 1,000만 분의 1초에 해당한다.

다만 이러한 수치는 회사가 제시한 시험 및 구현 조건에 따른 성능 지표로, 실제 로봇 시스템 전체가 동일한 응답 속도와 동작 정확도를 보장한다는 의미는 아니다.

전기적 간섭이 많은 공장에서도 통신 안정성 확보

제조 현장에서는 모터와 전력변환장치, 각종 산업설비가 동시에 작동하면서 전기적 간섭이 발생할 수 있다. 이러한 간섭은 통신 신호에 영향을 미쳐 데이터 오류나 통신 장애의 원인이 될 수 있다.

패러데이는 이번 PHY IP에 디지털 신호처리(DSP) 기반 구조와 아날로그 회로 설계 기술을 결합해 전기적 잡음에 대한 내성을 높였다고 설명했다.

또한 이더캣 기술그룹(ETG)의 ETG.7000 적합성 시험 규격에 따른 장치 적합성 및 네트워크 상호운용성 시험을 통과했다고 밝혔다.

전자기 간섭에 대한 내성을 평가하는 IEC 61000-4 계열 시험도 실시했다. 회사가 공개한 시험 항목에는 정전기 방전(ESD), 방사성 무선주파수 간섭, 전기적 빠른 과도현상(EFT), 서지, 전도성 무선주파수 간섭 등이 포함됐다.

특히 전기적 빠른 과도현상에 대한 내성을 확인하기 위해 1시간 이상 시험을 진행했다. 이 과정에서는 솔레노이드 밸브를 이용해 전기적 간섭을 발생시키고, 통신 기능과 하드웨어 보호 기능이 유지되는지를 확인했다.

이러한 시험은 산업 현장에서 발생할 수 있는 전기적 간섭에 대한 설계의 대응 능력을 평가하기 위한 것이다.

다만 반도체 설계자산 단계의 시험 통과가 이를 적용한 모든 완제품의 전자기 적합성이나 안전성까지 보장하는 것은 아니다. 실제 제품에서는 회로 구성과 부품 배치, 전원 설계, 사용 환경 등을 고려한 별도의 검증이 필요하다.

반도체 설계 단계에서 검증해 개발 부담 줄인다

이번 기술의 또 다른 특징은 반도체 설계자산 단계에서 통신 규격과 전자기 간섭 내성에 대한 검증을 수행했다는 점이다.

반도체 개발기업은 외부에서 제공받은 설계자산을 활용해 주문형 반도체(ASIC)를 개발할 수 있다. 이때 설계자산의 성능과 규격 적합성이 사전에 확인돼 있다면 개발 초기 단계에서 검토해야 할 기술적 불확실성을 줄이는 데 도움이 될 수 있다.

패러데이는 이번 PHY IP가 산업용 반도체를 개발하는 기업의 설계 및 검증 부담을 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있다.

다만 최종 반도체의 성능과 인증 여부는 설계자산 자체뿐 아니라 다른 회로와의 통합, 제조 공정, 완제품의 사용 조건 등에 따라 달라질 수 있다.

산업용 AI 확대되며 통신 반도체의 역할도 커져

AI 기술이 실제 기계와 결합하는 이른바 ‘피지컬 AI(Physical AI)’ 분야에서는 인공지능의 판단 능력뿐 아니라 그 판단을 물리적인 움직임으로 구현하는 제어 기술도 중요하다.

AI가 작업을 계획하거나 주변 환경을 인식하더라도 로봇의 모터와 센서가 정확하게 작동하지 않으면 의도한 작업을 수행하기 어렵다.

이 때문에 로봇의 연산 성능과 함께 센서 데이터 전달, 실시간 통신, 장치 간 동기화 등 기반 기술의 중요성도 커지고 있다.

패러데이는 향후 산업용 AI와 소프트웨어 정의 차량(SDV), 휴머노이드 로봇 등을 지원하기 위해 10/100/1000BASE-T1과 싱글 페어 이더넷(Single Pair Ethernet·SPE) 관련 설계자산을 확대할 계획이라고 밝혔다.

싱글 페어 이더넷은 한 쌍의 구리선을 이용해 데이터를 전송하는 기술로, 산업용 장치와 차량 등에서 배선 구조를 단순화하기 위한 통신 방식으로 활용되고 있다.

AI 기반 제조와 로봇 기술의 발전은 인공지능 소프트웨어뿐 아니라 반도체와 통신, 제어 기술이 함께 발전해야 가능하다. 특히 여러 장치가 정밀하게 움직여야 하는 산업 현장에서는 안정적인 실시간 통신이 중요한 기반 기술로 자리 잡고 있다.

이번 패러데이의 발표는 이러한 수요에 대응하기 위한 반도체 설계 기술의 개발 사례다. 향후 실제 산업용 장비와 로봇에 적용됐을 때의 성능과 안정성, 상용화 성과가 기술 경쟁력을 평가하는 기준이 될 것으로 보인다.